Рост алмаза и графита из газовой фазы - Дерягин Б.В.
Скачать (прямая ссылка):
56
В другой заявке этой же фирмы [50] патентуются всевозможные способы синтеза алмаза при помощи химических транспортных реакций. Для образования алмаза необходимо не слишком большое удаление от равновесной концентрации углеродсодержащих газов над алмазом во избежание паразитного выделения неалмазного углерода. Отметим, что химические транспортные реакции в настоящее время широко применяются для получения чистых и сверхчистых веществ. Общая теория химических транспортных реакций на основе термодинамики неравновесных процессов была дана в работе [51].
В патенте Г. Бринкмана и соавторов [52] заявлен метод эпитакси-ального наращивания алмаза из растворов углерода в металлах, причем источником углерода служит графит, находящийся при более высокой температуре, чем затравочный кристалл алмаза. Метод может быть реализован в двух видах: контурном и бункерном. При контурном методе жидкий металл постоянно циркулирует по замкнутому контуру и атомы углерода переносятся от графита к алмазу. Скорость циркуляции выбирается в зависимости от разности температур источника углерода и алмаза. В бункерном методе жидкий металл насыщается углеродом от стенок графитового тигля, затем температура понижается на величину, определяемую заданным пересыщением по отношению к алмазу, и затравочный кристалл вводится в расплав. Углерод выделяется на затравке преимущественно в форме алмаза. Когда пересыщение снимается, цикл повторяется снова. Этот способ не представляется перспективным не только из-за его цикличности и инертности системы, но и по другой причине. Действительно, выше указывалось, что равновесная концентрация над алмазом вдвое превышает соответствующую концентрацию над графитом. Значит, еще во время охлаждения расплава графит выделяется на стенках камеры (выполненных из графита), и к тому времени, когда в расплав вводится затравочный кристалл алмаза, пересыщение в значительной степени оказывается снятым.
В патенте тех же авторов [53] заявляется способ получения алмаза из атомов углерода, испускаемых источником углерода при высокой температуре (до 4000° С). Сообщений о подобных методах синтеза из паров углерода известно довольно много.
Проблемы синтеза алмаза тесно связаны с пониманием процесса его образования в природе. Сейчас определенной точки зрения на этот вопрос нет, хотя предположений имеется достаточно [54]. Интересную идею о влиянии кавитации на образование и рост алмазов развивает Э. М. Галимов. Вопросы образования алмазов в метеоритах рассмотрены в книге Г. П. Вдовыкина [55]. Однако природа настолько щедра на различные условия, что вполне возможно, чтобы все предложенные методы1 реализовывались либо одновременно, либо поочередно. Исключение, вероятно, представляет рост алмаза из продуктов разряда между графитовыми электродами при низких давлениях благородных газов и последующей конденсации этих продуктов на охлажденной до 80° К подложке [56].
57
2. Кинетика роста алмаза на алмазных порошках
Исследование кинетики роста алмаза проводилось на высокодисперсных классифицированных алмазных порошках [57]. Высокоразвитая поверхность последних делала возможным использование обычной методики, основанной на применении весов Мак-Бена. Использовались природные и синтетические алмазные порошки. Их удельная поверхность определялась методами БЭТ и фильтрации разреженного газа.
Основная трудность в исследовании кинетики роста алмаза из газовой фазы заключается в параллельном выделении неалмазного углерода, что затрудняет трактовку результатов экспериментов. Поэтому в кинетических исследованиях приходится использовать лишь часть кривой вес—время.
Наращивание высокодисперсных алмазных порошков имеет и самостоятельное практическое значение, поскольку они широко используются в качестве абразивов для финишных и суперфинишных операций при обработке различных поверхностей [58].
Изучение эпитаксиального наращивания алмазных порошков проводилось на различных установках, схема одной из которых показана на рис. 23. Основная часть установки — кварцевый реактор / и пружинные кварцевые весы 2. В реактор вводилась на тонкой кварцевой нити кварцевая чашка с навеской алмазного порошка, изменение массы которого фиксировалось при помощи катетометра 3.
Реактор нагревался печью омического нагрева 4. Температура реактора, поддерживаемая с точностью +10°, измерялась хромель-алюмелевой термопарой 5, помещенной в «палец» реактора. Вакуум в системе создавался ртутным диффузионным и форвакуумным насосами. Давление в реакционной зоне, поддерживаемое с точностью +0,01 мм рт. ст., измерялось термопарной лампой 6" и манометром Мак-Леода 7.
Для наращивания алмаза использовали метан. Перед опытом часть его из баллона 8 отбиралась в охлаждаемую жидким азотом ловушку 9, откуда поток метана через систему кранов поступал в реактор. Это имело то преимущество, что давление метана в ловушке оставалось постоянным и равным 10 мм рт. ст. В качестве затравки использовались алмазные порошки марок AM 1/0 (природный) и АСМ 1/0 (синтетический) с известной удельной поверхностью и размерами частиц до 1 мкм.
